Первые 3D-изображения деления клетки с ядром показали неожиданность

Исследователи из Калифорнийского технологического института впервые получили высококачественные трёхмерные изображения клетки с ядром в процессе деления. Наблюдения, сделанные с помощью мощной техники визуализации в сочетании с новым методом срезки образцов, показали, что один из характерных этапов митоза в некоторых клетках проходит иначе.

Во время митоза два набора хромосом выстраиваются в центре ядра клетки. Затем полые белковые стержни — микротрубочки, образующие веретено деления, — захватывают хромосомы и растаскивают каждый набор в противоположные стороны, чтобы обе дочерние клетки получили полную копию генетического материала. Обычно в клетках растений, грибов и многих животных одна или несколько микротрубочек прикрепляются к каждой хромосоме перед тем, как веретено начнёт разделять наборы.

Однако, наблюдая этот этап с помощью новой техники, учёные увидели нестандартную картину. «Мы нашли первый ясный пример клетки, где используется меньше микротрубочек, чем хромосом», — говорит профессор биологии Грант Дженсен. Результаты опубликованы онлайн в журнале Current Biology.

Группа Дженсена — одна из немногих в мире, использующих электронную криотомографию (ECT). В отличие от традиционной электронной микроскопии, ECT предполагает быстрое замораживание образцов, которые оказываются в почти естественном состоянии внутри прозрачного льда. Затем микроскоп делает высококачественные снимки образца при его вращении.

Ограничение ECT — толщина образца не должна превышать 500 нанометров, иначе электронный пучок не сможет его пробить. Поэтому ECT применяли для изучения мелких бактерий и вирусов. Чтобы расширить метод на эукариотические клетки, группа выбрала мельчайший известный эукариот — Ostreococcus tauri.

Для наблюдения деления эукариотической клетки потребовалось решить проблему толщины: даже крошечная O. tauri в процессе митоза превышает лимит в 500 нм. Учёные использовали новый метод криосекционирования, разработанный Марком Ладински. Он режет замороженные образцы при -150°C алмазным ножом, а затем аккуратно извлекает срезы с помощью микроманипулятора, что позволяет изучать клетки в почти естественном, гидратированном состоянии.

Совместив новые методы визуализации и срезки, бывший постдок лаборатории Лу Ган смог детально наблюдать митоз у O. tauri, клетки с 20 хромосомами. Вопреки ожиданиям, он обнаружил не 40 микротрубочек, прикреплённых к двум наборам хромосом, а всего около 10 маленьких, неполных микротрубочек. Это говорит о том, что хромосомы, возможно, связываются в пучок, который затем может быть разделён меньшим количеством микротрубочек.

Ранее, в 1970-х годах, уже заявляли об обнаружении одноклеточных эукариот с меньшим числом микротрубочек, чем хромосом, но те клетки были химически фиксированы и окрашены, что могло их повредить. Новые методы визуализации позволяют с уверенностью утверждать, что такое явление действительно существует.

Успех работы открывает перспективы для будущих исследований. «Наша работа с O. tauri показывает, что мы, возможно, сможем получать высококачественные 3D-изображения других, более крупных эукариотических клеток», — говорит Дженсен. «Мы уже перешли к попыткам визуализировать некоторые человеческие клетки с помощью того же процесса».